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16.3E : Le complexe d'initiation et le taux de traduction - Biologie

16.3E : Le complexe d'initiation et le taux de traduction - Biologie


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La première étape de la traduction est l'assemblage du ribosome, qui nécessite des facteurs d'initiation.

Objectifs d'apprentissage

  • Discuter de la façon dont les eucaryotes assemblent les ribosomes sur l'ARNm pour commencer la traduction

Points clés

  • Les composants impliqués dans l'assemblage des ribosomes sont réunis à l'aide de protéines appelées facteurs d'initiation qui se lient à la petite sous-unité ribosomique.
  • L'ARNt initiateur est utilisé pour localiser le codon de départ AUG (l'acide aminé méthionine) qui établit le cadre de lecture pour le brin d'ARNm.
  • Le GTP porté par eIF2 est la source d'énergie utilisée pour charger l'ARNt initiateur porté par la petite sous-unité ribosomique sur le bon codon de départ dans l'ARNm.
  • Le GTP porté par eIF5 est la source d'énergie pour assembler les grandes et petites sous-unités ribosomiques.

Mots clés

  • cadre de lecture: soit l'un des trois triplets possibles de codons dans lesquels une séquence d'ADN pourrait être transcrite
  • phosphorylation: l'addition d'un groupe phosphate à un composé ; souvent catalysé par des enzymes

Assemblage du ribosome et taux de traduction

Comme la transcription, la traduction est contrôlée par des protéines qui se lient et initient le processus. En traduction, avant que la synthèse des protéines puisse commencer, l'assemblage des ribosomes doit être terminé. Il s'agit d'un processus en plusieurs étapes.

Dans l'assemblage des ribosomes, les grandes et petites sous-unités ribosomiques et un ARNt initiateur (ARNtje) contenant le premier acide aminé de la chaîne polypeptidique finale se rassemblent tous au niveau du codon de début de traduction sur un ARNm pour permettre le début de la traduction. Premièrement, la petite sous-unité ribosomique se lie à l'ARNtje qui porte la méthionine chez les eucaryotes et les archées et porte la N-formyl-méthionine chez les bactéries. (Parce que l'ARNtje porte un acide aminé, on dit qu'il est chargé.) Ensuite, la petite sous-unité ribosomique avec l'ARNt chargéje toujours lié scanne le long du brin d'ARNm jusqu'à ce qu'il atteigne le codon de départ AUG, qui indique où la traduction commencera. Le codon de départ établit également le cadre de lecture pour le brin d'ARNm, ce qui est crucial pour synthétiser la séquence correcte d'acides aminés. Un décalage dans le cadre de lecture entraîne une mauvaise traduction de l'ARNm. L'anticodon sur l'ARNtje se lie ensuite au codon d'initiation par appariement de bases. Le complexe constitué d'ARNm, d'ARNt chargéje, et la petite sous-unité ribosomique s'attache à la grande sous-unité ribosomique, ce qui complète l'assemblage du ribosome. Ces composants sont réunis à l'aide de protéines appelées facteurs d'initiation qui se lient à la petite sous-unité ribosomique lors de l'initiation et se trouvent dans les trois domaines de la vie. De plus, la cellule dépense de l'énergie GTP pour aider à former le complexe d'initiation. Une fois l'assemblage du ribosome terminé, l'ARNt chargéje est positionné dans le site P du ribosome et le site A vide est prêt pour le prochain aminoacyl-ARNt. La synthèse du polypeptide commence et procède toujours de l'extrémité N-terminale à l'extrémité C-terminale, appelée direction N-à-C.

Chez les eucaryotes, plusieurs protéines du facteur d'initiation eucaryote (eIF) aident à l'assemblage des ribosomes. Le facteur d'initiation eucaryote-2 (eIF-2) est actif lorsqu'il se lie au guanosine triphosphate (GTP). Le GTP étant lié à celui-ci, la protéine eIF-2 se lie à la petite sous-unité ribosomique 40S. Ensuite, l'ARNt initiateur chargé de méthionine (Met-ARNtje) s'associe au complexe ribosomal GTP-eIF-2/40S, et une fois que tous ces composants sont liés les uns aux autres, ils sont collectivement appelés le complexe 43S.

Les facteurs d'initiation eucaryotes eIF1, eIF3, eIF4 et eIF5 aident à amener le complexe 43S au 5′-m7G cap d'un ARNm être traduit. Une fois lié aux 5′ m de l'ARNm7G cap, le complexe 43S commence à descendre dans l'ARNm jusqu'à ce qu'il atteigne le codon d'initiation AUG au début du cadre de lecture de l'ARNm. Les séquences autour de l'AUG peuvent aider à garantir que l'AUG correct est utilisé comme codon d'initiation dans l'ARNm.

Une fois que le complexe 43S est à l'AUG d'initiation, l'ARNt-Met est positionné sur l'AUG. L'anticodon sur l'ARNtje- Rencontre des paires de bases avec le codon AUG. À ce stade, le GTP lié à eIF2 dans le complexe 43S est hydrolysé en GDP + phosphate et de l'énergie est libérée. Cette énergie est utilisée pour libérer l'eIF2 (avec le GDP lié) du complexe 43S, laissant la sous-unité ribosomique 40S et l'ARNtje-Met au site de début de traduction de l'ARNm.

Ensuite, eIF5 avec GTP lié se lie à la sous-unité ribosomique 40S complexée à l'ARNm et à l'ARNtje-Rencontré. L'eIF5-GTP permet à la grande sous-unité ribosomique 60S de se lier. Une fois que la sous-unité ribosomique 60S arrive, eIF5 hydrolyse son GTP lié en GDP + phosphate, et de l'énergie est libérée. Cette énergie alimente l'assemblage des deux sous-unités ribosomiques dans le ribosome 80S intact, avec l'ARNt-Met dans son site P tout en étant également associé au codon d'initiation AUG sur l'ARNm. La traduction est prête à commencer.

La liaison de eIF-2 à la sous-unité ribosomique 40S est contrôlée par phosphorylation. Si eIF-2 est phosphorylé, il subit un changement de conformation et ne peut pas se lier au GTP. Par conséquent, le complexe 43S ne peut pas se former correctement et la traduction est entravée. Lorsque eIF-2 reste non phosphorylé, il se lie à la sous-unité ribosomique 40S et traduit activement la protéine.

La capacité d'assembler complètement le ribosome affecte directement la vitesse à laquelle la traduction se produit. Mais la synthèse des protéines est également régulée à divers autres niveaux, notamment la synthèse d'ARNm, la synthèse d'ARNt, la synthèse d'ARNr et la synthèse de facteur d'initiation eucaryote. L'altération de l'un de ces composants affecte la vitesse à laquelle la traduction peut se produire.


La synthèse des protéines commence par la formation d'un complexe d'initiation . Dans E. coli, ce complexe implique le petit ribosome 30S, la matrice d'ARNm, trois facteurs d'initiation (IF IF-1, IF-2 et IF-3) et un ARNt initiateur spécial, appelé ARNt Metf .

Dans E. coli l'ARNm, une séquence en amont du premier codon AUG, appelée le Séquence Shine-Dalgarno (AGGAGG), interagit avec les molécules d'ARNr qui composent le ribosome. Cette interaction ancre la sous-unité ribosomique 30S au bon endroit sur la matrice d'ARNm. Le guanosine triphosphate (GTP), qui est un nucléotide triphosphate purique, agit comme une source d'énergie lors de la traduction, à la fois au début de l'élongation et lors de la translocation du ribosome. La liaison de l'ARNm au ribosome 30S nécessite également IF-III.

L'ARNt initiateur interagit alors avec le codon d'initiation AUG (ou rarement, GUG). Cet ARNt porte l'acide aminé méthionine, qui est formylé après sa fixation sur l'ARNt. La formylation crée une liaison peptidique "faux" entre le groupe formyl carboxyle et le groupe amino de la méthionine. La liaison du fMet-ARNt Metf est médiée par le facteur d'initiation IF-2. Le fMet commence chaque chaîne polypeptidique synthétisée par E. coli, mais il est généralement supprimé une fois la traduction terminée. Lorsqu'un AUG dans le cadre est rencontré pendant l'allongement de la traduction, une méthionine non formylée est insérée par un Met-ARNt Met régulier. Après la formation du complexe d'initiation, la sous-unité ribosomique 30S est rejointe par la sous-unité 50S pour former le complexe de traduction. Chez les eucaryotes, un complexe d'initiation similaire se forme, comprenant l'ARNm, la petite sous-unité ribosomique 40S, les IF eucaryotes et les nucléosides triphosphates (GTP et ATP). La méthionine sur l'ARNt initiateur chargé, appelé Met-ARNtje, n'est pas formylé. Cependant, Met-ARNtje se distingue des autres ARNt Met en ce qu'il peut se lier aux FI.

Au lieu de se déposer sur la séquence Shine-Dalgarno, le complexe d'initiation eucaryote reconnaît la coiffe 7-méthylguanosine à l'extrémité 5 & 8242 de l'ARNm. Une protéine de liaison au capuchon (CBP) et plusieurs autres FI aident le mouvement du ribosome vers le capuchon 5 & 8242. Une fois au cap, le complexe d'initiation suit l'ARNm dans la direction 5'8242 à 3'8242, à la recherche du codon de départ AUG. De nombreux ARNm eucaryotes sont traduits à partir du premier AUG, mais ce n'est pas toujours le cas. Selon Les règles de Kozak , les nucléotides autour de l'AUG indiquent s'il s'agit du bon codon de départ. Les règles de Kozak stipulent que la séquence consensus suivante doit apparaître autour de l'AUG des gènes des vertébrés : 5′-gccRccAUGG-3′. Le R (pour purine) indique un site qui peut être A ou G, mais ne peut pas être C ou U. Essentiellement, plus la séquence est proche de ce consensus, plus l'efficacité de la traduction est élevée.

Une fois l'AUG approprié identifié, les autres protéines et la CBP se dissocient et la sous-unité 60S se lie au complexe Met-ARNtje, l'ARNm et la sous-unité 40S. Cette étape complète l'initiation de la traduction chez les eucaryotes.

Chez les eucaryotes, la formation du complexe d'initiation est similaire, avec les différences suivantes :

  • L'ARNt initiateur est un autre ARNt spécialisé transportant la méthionine, appelé Met-tRNAi
  • Au lieu de se lier à l'ARNm au niveau de la séquence Shine-Dalgarno, le complexe d'initiation eucaryote reconnaît la coiffe 5' de l'ARNm eucaryote, puis suit l'ARNm dans la direction 5' à 3' jusqu'à ce que le codon de départ AUG soit reconnu. À ce stade, la sous-unité 60S se lie au complexe Met-ARNt, ARNm et la sous-unité 40S.

Figure 1. La traduction chez les bactéries commence par la formation du complexe d'initiation, qui comprend la petite sous-unité ribosomique, l'ARNm, l'ARNt initiateur portant la N-formyl-méthionine et les facteurs d'initiation. Ensuite, la sous-unité 50S se lie, formant un ribosome intact.


Le ciblage du complexe d'initiation de la traduction eIF4F avec le SBI-756 sensibilise les cellules du lymphome B au vénétoclax

Fond: L'inhibiteur de BCL2 venetoclax a montré son efficacité dans plusieurs hémopathies malignes, avec les taux de réponse les plus élevés dans les cancers du sang indolents tels que la leucémie lymphoïde chronique. Le taux de réponse au vénétoclax en monothérapie est plus faible dans le lymphome diffus à grandes cellules B (DLBCL).

Méthodes : Nous avons testé des inhibiteurs de la traduction de l'ARNm dépendant de la coiffe pour leur capacité à sensibiliser les cellules du DLBCL et du lymphome à cellules du manteau (MCL) à l'apoptose par le vénétoclax. Nous avons comparé l'inhibiteur de la kinase mTOR (TOR-KI) MLN0128 avec le SBI-756, un composé ciblant le facteur d'initiation de la traduction eucaryote 4G1 (eIF4G1), une protéine d'échafaudage dans le complexe eIF4F.

Résultats: Traitement des cellules DLBCL et MCL avec SBI-756 en synergie avec le vénétoclax pour induire l'apoptose in vitro, et amélioration de l'efficacité du vénétoclax in vivo. Le SBI-756 a empêché l'association eIF4E-eIF4G1 et la traduction dépendante de la coiffe sans affecter la phosphorylation du substrat mTOR. Dans les cellules DLBCL résistantes à TOR-KI dépourvues de la protéine de liaison eIF4E-1, SBI-756 était toujours sensibilisé au vénétoclax. SBI-756 a réduit sélectivement la traduction des ARNm codant pour les protéines ribosomiques et les facteurs de traduction, entraînant une réduction des taux de synthèse des protéines dans les cellules sensibles. Lorsque des lymphocytes normaux ont été traités avec SBI-756, seules les cellules B avaient une viabilité réduite, et cela était en corrélation avec une synthèse protéique réduite.

Conclusion : Nos données mettent en évidence une nouvelle combinaison pour le traitement des lymphomes agressifs et établissent son efficacité et sa sélectivité à l'aide de modèles précliniques.


16.6 Régulation des gènes eucaryote translationnelle et post-traductionnelle

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Comprendre le processus de traduction et discuter de ses facteurs clés
  • Décrire comment le complexe d'initiation contrôle la traduction
  • Expliquer les différentes manières dont le contrôle post-traductionnel de l'expression des gènes a lieu

Une fois que l'ARN a été transporté vers le cytoplasme, il est traduit en protéine. Le contrôle de ce processus dépend en grande partie de la molécule d'ARN. Comme discuté précédemment, la stabilité de l'ARN aura un impact important sur sa traduction en une protéine. Au fur et à mesure que la stabilité change, le temps disponible pour la traduction change également.

Le complexe d'initiation et le tarif de traduction

Comme la transcription, la traduction est contrôlée par des protéines qui se lient et initient le processus. En traduction, le complexe qui s'assemble pour démarrer le processus est appelé complexe d'initiation de la traduction. Chez les eucaryotes, la traduction est initiée en liant le met-ARNt initiateur au ribosome 40S. Cet ARNt est amené au ribosome 40S par un facteur d'initiation protéique, le facteur d'initiation eucaryote-2 (eIF-2). La protéine eIF-2 se lie à la molécule de haute énergie guanosine triphosphate (GTP) . Le complexe ARNt-eIF2-GTP se lie alors au ribosome 40S. Un deuxième complexe se forme sur l'ARNm. Plusieurs facteurs d'initiation différents reconnaissent la coiffe 5' de l'ARNm et les protéines liées à la queue poly-A du même ARNm, formant l'ARNm en une boucle. La protéine cap-binding eIF4F rassemble le complexe d'ARNm avec le complexe de ribosome 40S. Le ribosome balaye ensuite l'ARNm jusqu'à ce qu'il trouve un codon d'initiation AUG. Lorsque l'anticodon de l'ARNt initiateur et le codon de départ sont alignés, le GTP est hydrolysé, les facteurs d'initiation sont libérés et la grande sous-unité ribosomique 60S se lie pour former le complexe de traduction. La liaison de eIF-2 à l'ARN est contrôlée par phosphorylation. Si eIF-2 est phosphorylé, il subit un changement de conformation et ne peut pas se lier au GTP. Par conséquent, le complexe d'initiation ne peut pas se former correctement et la traduction est entravée (Figure 16.13). Lorsque eIF-2 reste non phosphorylé, le complexe d'initiation peut se former normalement et la traduction peut se poursuivre.

Connexion visuelle

Une augmentation des niveaux de phosphorylation d'eIF-2 a été observée chez des patients atteints de maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson et la maladie de Huntington. Quel impact pensez-vous que cela pourrait avoir sur la synthèse des protéines?

Modifications chimiques, activité protéique et longévité

Les protéines peuvent être modifiées chimiquement avec l'ajout de groupes comprenant des groupes méthyle, phosphate, acétyle et ubiquitine. L'ajout ou l'élimination de ces groupes des protéines régule leur activité ou la durée de leur existence dans la cellule. Parfois, ces modifications peuvent réguler l'endroit où une protéine se trouve dans la cellule, par exemple, dans le noyau, dans le cytoplasme ou attachée à la membrane plasmique.

Des modifications chimiques se produisent en réponse à des stimuli externes tels que le stress, le manque de nutriments, la chaleur ou l'exposition à la lumière ultraviolette. Ces changements peuvent altérer l'accessibilité épigénétique, la transcription, la stabilité de l'ARNm ou la traduction, entraînant tous des changements dans l'expression de divers gènes. C'est un moyen efficace pour la cellule de modifier rapidement les niveaux de protéines spécifiques en réponse à l'environnement. Parce que les protéines sont impliquées dans chaque étape de la régulation des gènes, la phosphorylation d'une protéine (selon la protéine qui est modifiée) peut altérer l'accessibilité au chromosome, peut altérer la traduction (en modifiant la liaison ou la fonction du facteur de transcription), peut changer la navette nucléaire ( en influençant les modifications du complexe de pores nucléaires), peut altérer la stabilité de l'ARN (en se liant ou non à l'ARN pour réguler sa stabilité), peut modifier la traduction (augmenter ou diminuer), ou peut changer les modifications post-traductionnelles (ajouter ou supprimer des phosphates ou d'autres modifications chimiques).

L'ajout d'un groupe ubiquitine à une protéine marque cette protéine pour la dégradation. L'ubiquitine agit comme un drapeau indiquant que la durée de vie de la protéine est terminée. Ces protéines sont déplacées vers le protéasome, un organite qui fonctionne pour éliminer les protéines, pour être dégradées (Figure 16.14). Une façon de contrôler l'expression des gènes consiste donc à modifier la longévité de la protéine.


Résiliation

L'un des trois codons d'arrêt entre sur le site A. Aucune molécule d'ARNt ne se lie à ces codons, de sorte que le peptide et l'ARNt du site P deviennent hydrolysés, libérant le polypeptide dans le cytoplasme.

Les petites et grandes sous-unités du ribosome dissocier prêt pour le prochain tour de traduction.

Fig 5 – Terminaison de la traduction lors de la rencontre d'un codon stop au site P

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Traduction est un processus par lequel le code génétique contenu dans une molécule d'ARN messager (ARNm) est décodé pour produire une séquence spécifique d'acides aminés dans une chaîne polypeptidique.

Il se produit dans le cytoplasme suivant la transcription et, comme la transcription, comporte trois étapes : initiation, élongation et terminaison. Dans cet article, nous examinerons les composants et les étapes de la traduction de l'ADN.


Résumé

Le contrôle de la traduction est largement utilisé pour réguler l'expression des gènes. Ce mode de régulation est particulièrement pertinent dans les situations où la transcription est silencieuse ou lorsqu'un contrôle local de l'accumulation de protéines est requis. Bien que de nombreux exemples de régulation translationnelle aient été décrits, seuls quelques-uns commencent à être compris mécaniquement. Au lieu de fournir un compte rendu complet des exemples actuellement connus, nous discutons de cas instructifs qui servent de paradigmes pour différents modes de contrôle traductionnel.

La traduction de l'ARNm en protéine représente l'étape finale de la voie d'expression génique, qui médie la formation du protéome à partir de l'information génomique. La régulation de la traduction est un mécanisme utilisé pour moduler l'expression des gènes dans un large éventail de situations biologiques. Du développement embryonnaire précoce à la différenciation cellulaire et au métabolisme, la traduction est utilisée pour affiner les niveaux de protéines à la fois dans le temps et dans l'espace 1,2. Cependant, bien que de nombreux exemples aient été décrits, il reste encore beaucoup à apprendre sur les mécanismes moléculaires du contrôle traductionnel. Deux modes généraux de contrôle peuvent être envisagés : le contrôle global, dans lequel la traduction de la plupart des ARNm dans la cellule est régulée et le contrôle spécifique à l'ARNm, dans lequel la traduction d'un groupe défini d'ARNm est modulée sans affecter la biosynthèse générale des protéines ou l'état de la traduction. du transcriptome cellulaire dans son ensemble. La régulation globale se produit principalement par la modification des facteurs d'initiation de la traduction, tandis que la régulation spécifique à l'ARNm est pilotée par des complexes protéiques régulateurs qui reconnaissent des éléments particuliers qui sont généralement présents dans les régions non traduites (UTR) 5' et/ou 3' de l'ARNm cible. . Récemment, il a été découvert que la traduction de l'ARNm peut également être régulée par de petits MICRO ARN (miARN) qui s'hybrident aux séquences d'ARNm qui sont fréquemment situées dans l'UTR 3'.

Un cas particulier et extrêmement intéressant de régulation spécifique à l'ARNm est la régulation locale de la traduction qui se produit dans une cellule polarisée. La traduction d'ARNm spécifiques est limitée à des emplacements définis, tels que le pôle antérieur ou postérieur d'un ovocyte, ou une synapse neuronale spécifique. Le but de cette régulation est de générer des gradients de protéines qui émanent d'une position particulière dans la cellule, ou de restreindre l'expression des protéines à une petite région définie - par exemple, à une synapse.Bien qu'un tel contrôle traductionnel local implique presque invariablement des complexes régulateurs qui s'associent aux transcrits cibles, il pourrait également utiliser des changements locaux dans l'activité des facteurs généraux de traduction 3 .

Les caractéristiques structurelles et les séquences régulatrices au sein de l'ARNm sont responsables de son devenir traductionnel (Fig. 1). Ceux-ci incluent : uORFs), qui réduisent normalement la traduction des principales structures d'ARN secondaires ou tertiaires de l'ORF, telles que les épingles à cheveux et les PSEUDOKNOTS, qui bloquent généralement l'initiation, mais peuvent également faire partie des éléments IRES et donc promouvoir la traduction indépendante de la coiffe et, les sites de liaison spécifiques pour la régulation complexes, qui sont des déterminants cruciaux de la traduction de l'ARNm. Bien qu'en principe, la régulation puisse activer ou réprimer la traduction, la plupart des mécanismes de régulation qui ont été découverts jusqu'à présent sont inhibiteurs, ce qui implique qu'à moins qu'un mécanisme de régulation ne soit imposé, les ARNm sont actifs sur le plan de la traduction par défaut. Cependant, cela ne signifie pas que tous les ARNm non réprimés sont activement impliqués dans les ribosomes, car l'activité des facteurs d'initiation de la traduction, en particulier ceux qui soutiennent le recrutement des complexes ribosomiques qui initient la traduction, est souvent limitante. En conséquence, la plupart des ARNm sont distribués entre un pool activement traduit et un pool non traduit dans le cytoplasme des cellules, et les changements dans l'activité de ces facteurs de traduction limitants provoquent des changements dans la synthèse globale des protéines.

La structure de coiffe m 7 GpppN à l'extrémité 5' de l'ARNm, et la queue poly(A) ((A)m sur la figure) à l'extrémité 3', sont des motifs canoniques qui favorisent fortement l'initiation de la traduction. Les structures secondaires, telles que les épingles à cheveux, bloquent la traduction. Les séquences d'entrée du ribosome interne (IRES) assurent la médiation de la traduction indépendante de la coiffe. Les cadres de lecture ouverts en amont (uORF) fonctionnent normalement comme des régulateurs négatifs en réduisant la traduction de l'ORF principal. Les ovales verts symbolisent les sites de liaison pour les protéines et/ou les régulateurs d'ARN, qui inhibent généralement, mais parfois favorisent, la traduction.

Dans cette revue, nous discuterons des mécanismes moléculaires détaillés de la régulation traductionnelle, en nous concentrant sur des exemples de contrôle traductionnel global et spécifique à l'ARNm.

Initiation à la traduction

Le processus de traduction peut être divisé en trois phases : initiation, élongation et terminaison. Alors que les phases d'élongation et de terminaison sont assistées par un ensemble limité de facteurs dédiés, l'initiation de la traduction chez les eucaryotes est un événement complexe qui est assisté par plus de 25 polypeptides 4,5,6. L'initiation de la traduction implique le positionnement d'un ribosome 80S compétent en allongement au niveau du codon d'initiation (AUG). La petite sous-unité ribosomique (40S) se lie initialement à l'extrémité 5' de l'ARNm et le balaye dans une direction 5'→3' jusqu'à ce que le codon d'initiation soit identifié. La grande sous-unité ribosomique (60S) rejoint ensuite la sous-unité 40S à cette position pour former le ribosome 80S catalytiquement compétent (Fig. 2). Nous donnons ici un aperçu succinct du processus d'initiation de la traduction dans la mesure où il est directement pertinent pour les exemples de régulation traductionnelle qui sont discutés ci-dessous. Pour une description plus détaillée du processus d'initiation de la traduction, voir les références 4-6.

Seuls les facteurs d'initiation de la traduction qui sont discutés dans le texte principal sont représentés, d'autres ont été omis par souci de simplicité. Les facteurs d'initiation eucaryotes (eIF) sont représentés par des formes colorées et numérotées sur la figure. Pour un compte rendu complet des facteurs d'initiation de la traduction, voir les références 4,6. L'ARNt initiateur chargé en méthionine (symbole en forme de L) se lie à eIF2 couplé au GTP pour produire le complexe ternaire. Ce complexe se lie ensuite à la petite sous-unité ribosomique (40S), eIF3 et à d'autres facteurs d'initiation pour former le complexe de pré-initiation 43S. Le complexe de pré-initiation reconnaît l'ARNm par la liaison de eIF3 à la sous-unité eIF4G du complexe de liaison à la coiffe. En plus d'eIF4G, le complexe de liaison au capuchon contient eIF4E, qui se lie directement au capuchon, et eIF4A, une hélicase à ARN qui déroule la structure secondaire au cours de l'étape suivante de numérisation. eIF4G entre également en contact avec la protéine de liaison poly(A) (PABP) et cette interaction est censée circulariser l'ARNm. Le complexe de pré-initiation 43S balaye l'ARNm dans une direction 5'→3' jusqu'à ce qu'il identifie le codon initiateur AUG. La numérisation est assistée par les facteurs eIF1 et eIF1A. Une liaison stable du complexe de pré-initiation 43S au codon AUG donne le complexe d'initiation 48S. La jonction ultérieure de la grande sous-unité ribosomique (60S) entraîne la formation du complexe d'initiation 80S. La reconnaissance de l'AUG et la jonction de la grande sous-unité ribosomique déclenchent l'hydrolyse du GTP sur eIF2 et eIF5B, respectivement. Par la suite, le complexe 80S est compétent pour catalyser la formation de la première liaison peptidique. Pje, phosphate inorganique.

La petite sous-unité ribosomique, avec d'autres facteurs, forme un complexe de pré-initiation 43S qui se lie à l'ARNm. Cet assemblage 43S contient les FACTEURS D'INITIATION EUCARYOTIQUE (eIF) 3, 1, 1A et 5, et un complexe ternaire, qui comprend l'ARNt initiateur chargé en méthionine qui reconnaîtra le codon AUG lors de l'initiation et eIF2 qui est couplé au GTP (Fig. 2). Au moins chez les mammifères, on pense que la liaison du complexe de pré-initiation 43S à l'ARNm implique des interactions de pontage entre eIF3 et le complexe protéique eIF4F, qui s'associe à la structure de coiffe 5' de l'ARNm 7 . Le complexe eIF4F contient plusieurs protéines, notamment : eIF4E, qui se lie physiquement à la structure de la coiffe m 7 GpppN eIF4A, une ARN HELICASE DEAD-BOX qui est censée dérouler les structures secondaires dans le 5' UTR afin que le complexe 43S puisse se lier et scannez l'ARNm et eIF4G, qui fonctionne comme une protéine d'échafaudage en interagissant avec eIF4E, eIF4A et eIF3 (Fig. 2). Chez la levure, l'interaction entre eIF4G et eIF3 n'a pas été détectée, et on pense que le recrutement du complexe de pré-initiation 43S à l'ARNm est assisté par d'autres interactions, telles que celles entre eIF4G et eIF5 (Réf. 8). eIF4G interagit également avec la protéine de liaison poly(A) (PABP), et l'interaction simultanée de eIF4E et PABP avec eIF4G est censée circulariser l'ARNm, ce qui rapproche l'UTR 3' de l'extrémité 5' de l'ARNm 9 . Cela fournit (au moins conceptuellement) un cadre spatial dans lequel les facteurs de liaison 3'-UTR peuvent réguler l'initiation de la traduction. En fait, la plupart des séquences régulatrices connues se trouvent au sein de l'UTR 3', même si la traduction commence à l'extrémité 5' de l'ARNm, ce qui met en évidence la connexion fonctionnelle entre les extrémités de l'ARNm lors de la traduction.

Plusieurs études impliquent que le complexe de pré-initiation 43S balaye le long de l'UTR 5' jusqu'à ce qu'il atteigne et identifie le codon d'initiation 10. Cependant, comme il reste à trouver des preuves physiques directes de la numérisation des intermédiaires, la numérisation est probablement un processus rapide qui implique des intermédiaires instables. L'initiation de la traduction nécessite de l'énergie sous forme d'ATP. On ne sait pas si cette énergie est utilisée pour dérouler des structures secondaires dans l'UTR 5' pour permettre la liaison du complexe 43S, et/ou pour favoriser directement le mouvement du complexe 43S. Cependant, l'analyse des leaders non structurés peut se produire en l'absence d'ATP in vitro, ce qui indique que le mouvement d'un complexe 43S le long de l'ARNm pourrait ne pas nécessiter d'énergie à moins que le ribosome ne rencontre une structure stable dans l'ARNm 11 . eIF1 et eIF1A contribuent à la processivité de numérisation 11,12. Bien qu'il ne soit pas clair à l'heure actuelle si le complexe 43S reste physiquement associé à la structure du capuchon pendant le balayage, il a été démontré que le complexe eIF4F prend en charge le balayage 11 . La liaison du complexe 43S au codon initiateur AUG entraîne la formation d'un complexe stable, appelé complexe d'initiation 48S. La sélection du codon d'initiation correct dépend de manière critique de eIF1 (Réf 11,12). Il existe également un mode alternatif d'initiation de la traduction indépendant de la structure de la coiffe et médié par les IRES, qui sont des structures d'ARN qui aident à recruter des complexes ribosomiques vers les sites internes de l'UTR 5', parfois directement au niveau de l'initiation ou à proximité. codon 5 (Fig. 1).

Le complexe 43S reconnaît le codon d'initiation par la formation de paires de bases entre l'ARNt initiateur et le codon d'initiation. Par la suite, le GTP lié à eIF2 subit une hydrolyse qui est catalysée par eIF5 - une réaction qui est nécessaire, mais pas suffisante, pour que la sous-unité ribosomique 60S rejoigne le complexe d'initiation. On pense que cela libère la plupart des facteurs d'initiation, y compris eIF2-GDP de la petite sous-unité ribosomique, laissant l'ARNt initiateur apparié avec AUG dans le site P ribosomique. Une deuxième étape d'hydrolyse du GTP sur eIF5B est ensuite stimulée par le ribosome, et est nécessaire pour libérer eIF5B pour le rendre compétent pour la synthèse de polypeptides 13,14 (Fig. 2).

Contrôle global : eIF4E–4E-BPs et eIF2α kinases

Le contrôle global de la synthèse des protéines est généralement obtenu par des changements dans l'état de phosphorylation des facteurs d'initiation ou des régulateurs qui interagissent avec eux. Deux exemples bien caractérisés sont discutés ici.

Comme mentionné ci-dessus, eIF2 fait partie du complexe ternaire et s'associe à la petite sous-unité ribosomique sous sa forme liée au GTP. Ce GTP est hydrolysé lorsque l'initiateur AUG est reconnu lors de l'initiation de la traduction, produisant eIF2 dans l'état lié au GDP. L'échange de GDP contre GTP sur eIF2 est catalysé par eIF2B et est nécessaire pour reconstituer un complexe ternaire fonctionnel pour un nouveau cycle d'initiation de la traduction 15 (Fig. 3a). eIF2 se compose de trois sous-unités — , et — et la phosphorylation de la sous-unité au niveau du résidu Ser51 bloque la réaction d'échange de GTP en réduisant le taux de dissociation de eIF2 de eIF2B. En effet, cela séquestre eIF2B 16 et, par conséquent, l'échange GDP-GTP ne se produit plus et la traduction globale de l'ARNm est inhibée.

une | Hydrolyse du GTP et recyclage du facteur d'initiation eucaryote (eIF)2 dans l'initiation de la traduction, et effet de la phosphorylation de eIF2α sur l'activité de eIF2. eIF2 se compose de trois sous-unités - α, et - et est un composant du complexe ternaire, qui contient également l'ARNt initiateur chargé de méthionine (symbole en forme de L). Dans un complexe ternaire actif, la sous-unité eIF2-γ est liée au GTP, et lors de l'initiation de la traduction, cette molécule de GTP est hydrolysée. L'échange GDP-GTP sur eIF2 est nécessaire pour régénérer eIF2 actif et est catalysé par eIF2B. La phosphorylation d'eIF2 sur la sous-unité réduit le taux de dissociation d'eIF2B, séquestrant ainsi le complément cellulaire d'eIF2B et bloquant la réaction d'échange GDP-GTP. b | Fonction des protéines de liaison eIF4E (4E-BP). Les 4E-BP se lient à eIF4E, empêchant ainsi son interaction avec eIF4G et inhibant ainsi la traduction. La phosphorylation des molécules 4E-BP libère les 4E-BP de eIF4E, ce qui permet leur interaction avec eIF4G, et permet ainsi à la traduction de se poursuivre.

Un certain nombre de kinases activées dans différentes conditions peuvent phosphoryler eIF2α à Ser51 (Réfs 17,18). Ceux-ci incluent : l'inhibiteur régulé par l'hème (IRH), qui est stimulé par la déplétion de l'hème GCN2 (contrôle général non dépressible-2), qui est activé par la privation d'acides aminés PKR (protéine kinase activée par l'ARN double brin), qui est stimulé par une infection virale et PERK, qui est activé dans des circonstances de stress du réticulum endoplasmique (RE). Bien que la phosphorylation de eIF2α par ces kinases diminue la traduction globale, cette modification peut également entraîner l'activation traductionnelle d'ARNm spécifiques (voir ci-dessous).

La disponibilité de la protéine cap-binding eIF4E est également utilisée pour réguler les taux de traduction généraux. eIF4E interagit avec la protéine d'échafaudage eIF4G et est nécessaire pour le recrutement médié par le capuchon du complexe ribosomique 43S à l'ARNm pendant l'initiation de la traduction (Fig. 2). L'association entre eIF4E et eIF4G nécessite un petit domaine dans eIF4G qui est partagé par une famille de protéines connues sous le nom de 4E-BINDING PROTEINS (4E-BP). Les 4E-BP hypophosphorylées se lient à eIF4E et déplacent de manière compétitive eIF4G, ce qui entraîne l'inhibition de l'association du complexe 43S avec l'ARNm et, par conséquent, une répression traductionnelle (Fig. 3b). Les signaux extracellulaires, tels que l'insuline, activent une cascade de signalisation qui déclenche l'hyperphosphorylation 4E-BP et la libération de eIF4E 19,20. En conséquence, eIF4E est libre de se lier à eIF4G et de promouvoir l'initiation de la traduction.

En plus des changements induits par la phosphorylation qui régulent la traduction globale, le clivage protéolytique des facteurs de traduction peut inhiber la synthèse des protéines cellulaires. Par exemple, la protéine apoptotique caspase-3 clive eIF4G et PABP 21,22, et le clivage de ces facteurs par des protéases virales sert de mécanisme commun et efficace pour interférer avec la traduction des ARNm cellulaires 23 . En conséquence, certains ARN viraux qui ne nécessitent pas eIF4G et PABP intacts sont traduits préférentiellement, ainsi que certains ARNm cellulaires qui partagent une telle indépendance par rapport à eIF4G et PABP intacts (C. Thoma et ses collègues, résultats non publiés).

Régulation spécifique à l'ARNm du recrutement 43S

L'association du complexe ribosomique 43S avec un ARNm est ciblée non seulement par les régulateurs de la traduction globale, mais aussi par les protéines de liaison à l'ARN qui modulent la traduction d'ARNm spécifiques. Nous discutons ici de trois mécanismes différents par lesquels les protéines de liaison à l'ARN atteignent cet objectif.

Blocage stérique. Les protéines régulatrices du fer (IRP)1 et 2 contrôlent l'homéostasie du fer, en partie, en régulant la traduction des ARNm des chaînes lourdes et légères de la ferritine, qui codent pour les deux sous-unités de cette protéine de stockage du fer. Dans les cellules déficientes en fer, IRP1 et IRP2 se lient à un élément sensible au fer (IRE), qui est un motif tige-boucle dans l'UTR 5' des ARNm de ferritine. L'IRE est situé à moins de 40 nucléotides de la structure de la coiffe, et la liaison IRP bloque le recrutement du complexe 43S à l'ARNm de ferritine qui est engagé avec le complexe eIF4F 24,25 (Fig. 4a). La répression translationnelle est inefficace lorsque l'IRE est déplacé vers une position plus distale du capuchon, probablement parce que cette manipulation fournit un espace suffisant dans la région cap-proximale pour la liaison du complexe 43S 26,27. Ce mécanisme semble fonctionner par encombrement stérique, car le remplacement de l'interaction IRE-IRP par une interaction de liaison à l'ARN qui implique d'autres protéines sans fonction physiologique dans la traduction eucaryote - comme la protéine spliceosomale U1A avec sa séquence de liaison à l'ARN correspondante - peut pleinement récapituler le refoulement traductionnel 28 .

une | Blocage stérique. Les protéines régulatrices du fer (IRP) 1 ou 2 se lient à l'élément sensible au fer (IRE) et empêchent le recrutement du complexe de pré-initiation 43S au complexe facteur d'initiation eucaryote lié à l'ARNm (eIF) 4F par encombrement stérique. b | Interférence avec le complexe eIF4F. Les protéines de liaison eIF4E spécifiques à l'ARNm Maskin et Bicoid interagissent avec eIF4E, empêchant ainsi son interaction avec eIF4G. Maskin est ciblé sur l'ARNm via la protéine de liaison à l'élément cytoplasmique de polyadénylation (CPEB) qui reconnaît l'élément de polyadénylation cytoplasmique (CPE) situé dans la région non traduite 3' (UTR), tandis que Bicoid se lie directement à l'ARNm au niveau de la Élément de réponse bicoïde (BRE). c | Inhibition indépendante de la coiffe. La liaison de Sex-lethal (SXL) à des séquences riches en uridine (Poly (U) sur la figure) au niveau des UTR 5' et 3' aide au recrutement d'un complexe co-répresseur (CR) pour inhiber la traduction, éventuellement par interférence avec balayage des ribosomes à partir de la structure du capuchon.

Interférer avec le complexe eIF4F. Alors que les IRP permettent au complexe de liaison au capuchon eIF4F de se lier à l'ARNm 25 , certains régulateurs de traduction qui fonctionnent pendant le développement embryonnaire ciblent la formation du complexe eIF4F. La protéine de liaison aux éléments cytoplasmiques de polyadénylation (CPEB) régule la traduction de l'ARNm maternel au cours de la maturation et du développement précoce des ovocytes des vertébrés. Cette protéine se lie à une séquence riche en uridine - l'élément de polyadénylation cytoplasmique (CPE) - qui est située dans l'UTR 3' des ARNm cibles et favorise à la fois l'extinction de l'ARNm avant la maturation des ovocytes ainsi que la polyadénylation cytoplasmique et l'activation traductionnelle ultérieures 29 . Pour réprimer la traduction, CPEB se lie à une protéine connue sous le nom de Maskin qui contient un domaine de liaison eIF4E, qui ressemble à celui de eIF4G 30 . En tant que tel, le complexe CPEB-Maskin peut être considéré comme un « 4E-BP spécifique à l'ARNm » (Fig. 4b). L'affinité de Maskin isolée pour eIF4E est apparemment inférieure à celle de eIF4G, mais un peptide Maskin qui inclut le domaine de liaison eIF4E peut inhiber la traduction in vivo, ce qui suggère que Maskin est en effet en concurrence avec eIF4G pour se lier à eIF4E 30 .

D'autres régulateurs se sont également avérés fonctionner comme des 4E-BP spécifiques au message. Au cours de la formation de l'axe antéropostérieur au début Drosophila melanogaster embryon, l'ARNm qui code pour le déterminant postérieur Nanos se concentre - et est spécifiquement traduit - au pôle postérieur du D. melanogaster ovocyte. La protéine Smaug se lie à l'UTR 3' de nanos ARNm et réprime sa traduction en recrutant la protéine répresseur de liaison eIF4E Cup 31 . Cup est également recrutée dans l'ARNm qui code pour le déterminant postérieur Oskar par la protéine de liaison à l'ARN Bruno, empêchant ainsi la synthèse d'Oskar pendant le transit de oskar ARNm du pôle antérieur au pôle postérieur du D. melanogaster ovocyte 32,33 . Ainsi, Maskin et Cup représentent des protéines régulatrices qui s'associent indirectement à des ARNm spécifiques en interagissant avec des protéines spécifiques de liaison à l'ARN, et semblent bloquer la reconnaissance d'eIF4E par eIF4G. Il est à noter que ni Maskin ni Cup n'ont pu empêcher directement le recrutement du complexe de pré-initiation 43S. En effet, dans le cas de Cup, des preuves contradictoires indiquent que la répression nanos L'ARNm est associé aux POLYSOMES, une découverte qui est plus cohérente avec l'inhibition de la traduction qui se produit à une étape post-initiation 34 . Une variation sur le thème des 4E-BP spécifiques à l'ARNm est fournie par le déterminant antérieur Bicoid, qui inhibe la traduction de caudal ARNm au pôle antérieur, dans ce cas en se liant directement à eIF4E 35 (Fig. 4b).

Inhibition cap-indépendante des étapes d'initiation précoce. L'inhibition de la traduction par l'IRP et les 4E-BP spécifiques au message ciblent les étapes de la voie d'initiation de la traduction qui sont médiées par la structure de la coiffe. Un exemple récent décrit un régulateur qui inhibe l'association stable du complexe ribosomique 43S avec l'ARNm d'une manière indépendante de la coiffe.Sex-lethal (Sxl) empêche la COMPENSATION DE DOSAGE X-CHROMOSOME dans D. melanogaster femelles en refoulant la traduction de msl-2 ARNm, qui code un composant crucial du complexe dosage-compensation. Pour remplir cette fonction, Sxl se lie à des sites spécifiques dans les UTR 5' et 3' de msl-2 ARNm et recrute des co-répresseurs pour le 3' UTR 36,37 (Fig. 4c). Bien que la structure du capuchon et la queue poly(A) contribuent à la traduction de msl-2 ARNm, la régulation se produit indépendamment de l'une ou l'autre de ces structures 36,38. La répression traductionnelle par Sxl affecte l'association stable de la petite sous-unité ribosomique avec l'ARNm, car la formation de complexes 48S est inhibée en présence de Sxl. Prises ensemble, ces données indiquent la possibilité intéressante que le complexe répresseur qui est assemblé autour de Sxl sur msl-2 L'ARNm arrête le complexe de pré-initiation de balayage 43S.

D'autres mécanismes. Un exemple intrigant de contrôle de la traduction impliquant la GRANDE PROTÉINE DE LA SOUS-UNITÉ RIBOSOMALE L13A a été décrit récemment. La synthèse de la CÉRULOPLASMINE (CP) est inhibée 24 heures après le traitement par l'interféron-γ par l'action d'un facteur cellulaire qui se lie à une structure tige-boucle dans le 3′ UTR de Cp ARNm 39,40. Ce facteur a été identifié comme la protéine ribosomique L13a 41 . La phosphorylation de L13a après traitement à l'interféron-γ provoque sa libération de la sous-unité ribosomique 60S et favorise la liaison à l'UTR 3′ de Cp ARNm. Curieusement, la dissociation de L13a des ribosomes après phosphorylation ne semble pas affecter la fonction globale des ribosomes 41 . Bien que l'étape de traduction précise qui est affectée par L13a phosphorylée n'a pas été déterminée, réprimée Cp L'ARNm n'est pas associé aux polysomes et l'inhibition de la traduction nécessite la queue poly (A) ainsi que eIF4G et PABP 39,42. Ces résultats impliquent L13a dans la régulation de l'initiation de la traduction. Les auteurs proposent que la circularisation de l'ARNm par l'interaction eIF4G-PABP est nécessaire pour rapprocher L13a de la 5'UTR et réprimer ainsi la traduction 42 .

Régulation aux étapes post-recrutement

La traduction peut également être contrôlée aux étapes d'initiation tardive et de post-initiation. Les protéines de liaison à l'ARN hnRNP K (ribonucléoprotéine nucléaire hétérogène K) et hnRNP E1 inhibent la traduction de la 15-lipoxygénase ( SAUMON FUMÉ ) ARNm au cours de la différenciation érythroïde précoce. Ils se lient à un élément riche en CU répété, connu sous le nom d'élément de contrôle de différenciation (DICE) situé dans le SAUMON FUMÉ 3′ UTR. La répression traductionnelle de LOX est indépendante de la queue poly(A) et se produit également lorsque la traduction est induite de manière indépendante de la coiffe par les IRES du virus de l'encéphalomyocardite (EMCV) ou du virus de la peste porcine classique (CSVF), ce qui indique que ce type de la réglementation cible une étape tardive dans l'initiation 43,44 . L'analyse du gradient de saccharose a montré que la formation du complexe 48S s'est produite, mais la formation du ribosome 80S a été inhibée par le complexe hnRNP-K–hnRNP-E1. De plus, l'analyse de l'empreinte des orteils a révélé que le complexe 43S était placé au niveau du codon AUG initiateur sur l'ARNm réduit au silence. Ainsi, ces régulateurs semblent empêcher la liaison de la sous-unité ribosomique 60S à la sous-unité 40S au niveau du codon d'initiation 44 (Fig. 5a). En principe, hnRNP-K–hnRNP-E1 pourrait y parvenir soit en interférant avec un facteur d'initiation de la traduction qui est impliqué dans cette étape, soit en inhibant directement l'interaction entre les deux sous-unités ribosomiques. Cependant, la régulation de hnRNP-K–hnRNP-E1 est contournée lorsque la traduction d'un ARN contenant DICE est entraînée par le virus de la paralysie du grillon (CrPV) IRES. Comme cet IRES ne nécessite aucun des facteurs d'initiation de la traduction connus, cette découverte suggère que hnRNP-K-hnRNP-E1 cible les facteurs d'initiation plutôt que les sous-unités ribosomiques elles-mêmes 44 . Cependant, il n'est pas clair à l'heure actuelle quel facteur d'initiation (ou facteurs) représente la cible principale de la régulation.

une | Régulation de l'association de la sous-unité ribosomique 60S. Liaison de la ribonucléoprotéine nucléaire hétérogène K (hnRNP K) et hnRNP E1 à l'élément de contrôle de différenciation (DICE) dans la région non traduite 3' (UTR) de SAUMON FUMÉ L'ARNm empêche la sous-unité 60S de rejoindre le complexe d'initiation 48S au niveau du codon AUG initiateur. b | Mécanisme de régulation de GCN4 traduction de l'ARNm. GCN4 L'ARNm contient quatre cadres de lecture ouverts en amont (uORF1-4). Dans des conditions de suffisance en acides aminés (panneau supérieur), la réinitiation se produit plus fréquemment après chaque uORF (flèche continue), en raison d'une probabilité accrue de recharger les sous-unités 40S de balayage qui traversent les régions entre les uORF avec des complexes ternaires actifs. En conséquence, la réinitiation au GCN4 L'ORF devient peu fréquent (flèche en pointillé). Dans des conditions de pénurie d'acides aminés, qui induit la phosphorylation d'eIF2α, et de faibles niveaux de complexe ternaire (panneau inférieur), il est peu probable que la réinitiation se produise au niveau des uORF. Cela augmente la probabilité de balayage des sous-unités 40S atteignant la région en aval de uORF4 et, par la suite, le GCN4 Codon d'initiation AUG. L'astérisque indique que la composition exacte du complexe de pré-initiation 43S, dans le cadre de la réinitiation, n'est pas connue.

La privation d'acides aminés réduit la synthèse globale des protéines par phosphorylation d'eIF2α par la kinase GCN2. Paradoxalement, cette même modification augmente la traduction de la levure GCN4 ARNm, fournissant ainsi un exemple de la façon dont les facteurs de traduction généraux peuvent réguler l'expression d'ARNm spécifiques 18 . GCN4 L'ARNm code pour une protéine qui fonctionne comme un activateur transcriptionnel des gènes qui régulent la biosynthèse des acides aminés, et contient quatre courts ORF en amont du GCN4 codon d'initiation (Fig. 5b). La traduction de la première uORF favorise une traduction efficace des GCN4, ce qui indique que GCN4 la traduction se produit par « réinitiation », ce qui est un événement relativement rare - du moins chez les eucaryotes - par lequel un ribosome qui a déjà traduit un ORF reprend la traduction d'un ORF en aval dans la même molécule d'ARNm.

On suppose que pendant la fin de la traduction, la sous-unité ribosomique 60S se dissocie au niveau du codon stop du premier uORF, tandis que la sous-unité 40S reste associée à l'ARNm et peut reprendre le balayage. Le modèle prédit que la sous-unité 40S acquiert un complexe ternaire, et probablement d'autres facteurs d'initiation, pendant le balayage, afin qu'elle puisse initier la traduction en aval. GCN4 ORF. La probabilité avec laquelle la sous-unité 40S acquiert un complexe ternaire augmente à mesure qu'elle s'éloigne de l'uORF. Ainsi, plus il faut de temps pour scanner l'UTR 5′, plus la traduction de GCN4 doit se produire.

Régulation de GCN4 la traduction résulte d'une interaction entre la disponibilité de complexes ternaires actifs, la présence de l'uORF4 inhibiteur et la distance entre uORF1 et à la fois uORF4 et le GCN4 ORF. Ces éléments et leur position relative les uns par rapport aux autres déterminent la fréquence à laquelle une petite sous-unité ribosomique « rechargée » atteint le GCN4 AOT 45 . Lorsque suffisamment d'acides aminés sont disponibles, la petite sous-unité ribosomique peut être plus facilement rechargée avec un complexe ternaire actif après traduction de uORF1 car elle scanne le segment entre uORF2 et uORF4. En conséquence, la traduction reprend avec une fréquence plus élevée à uORF4. La traduction de uORF4 inhibe fortement la traduction du GCN4 ORF, car la séquence riche en GC qui entoure le codon stop uORF4 favorise la dissociation et la libération des ribosomes. Pour cette raison, peu de sous-unités 40S rechargées atteignent le GCN4 codon d'initiation, et seuls les niveaux basaux de GCN4 sont produits (Fig. 5b).

Dans des conditions de privation d'acides aminés, cependant, la kinase GCN2 phosphoryle eIF2α, ce qui réduit la quantité de complexes ternaires actifs dans la cellule (Fig. 3a). En conséquence, la recharge des petites sous-unités ribosomiques qui scannent le segment entre uORF2 et uORF4 est inefficace, et la traduction de uORF4 est peu probable. Cela augmente le nombre de petites sous-unités ribosomiques qui continuent à balayer jusqu'au codon d'initiation de GCN4, et offre une opportunité de lier un complexe ternaire actif en cours de route. Par conséquent, un nombre accru de sous-unités ribosomiques rechargées atteint le GCN4 codon d'initiation, ce qui explique l'augmentation paradoxale GCN4 traduction lorsque eIF2α est phosphorylée (Fig. 5b). Un mécanisme connexe est utilisé pour réguler à la hausse ATF4 Traduction de l'ARNm chez les mammifères. L'ATF4 est un activateur transcriptionnel dont l'expression est induite par plusieurs signaux de stress, dont le manque d'acides aminés. La phosphorylation de eIF2α induit la traduction de ATF4 ARNm par un mécanisme qui dépend des uORF contenus dans son UTR 5', ce qui indique que ce mode de contrôle traductionnel est conservé de manière évolutive 46 .

Contrôle de la traduction par les miARN

Des études menées il y a plus d'une décennie impliquaient de petits ARN régulateurs dans le contrôle de la traduction de l'ARNm 47,48. Il devient maintenant clair que ces premiers travaux représentent la pointe de l'iceberg de ce qui émerge comme un nouveau domaine dans le contrôle de la traduction : la régulation de la traduction non seulement par des facteurs protéiques, mais aussi par de petites molécules d'ARN de ∼ 22 nucléotides de long qui sont connus sous le nom de micro ARN (miARN). Les premiers miARN découverts ont été lin-4 et laisser-7 , qui sont cruciales pour réguler le calendrier de développement dans Caenorhabditis elegans 49 . Jusqu'à présent, plusieurs centaines de miARN ont été décrits chez les plantes et les animaux qui régulent un large éventail de processus biologiques, allant du métabolisme cellulaire à la différenciation cellulaire, à la croissance cellulaire et à l'apoptose 50,51,52.

Les miARN s'hybrident par appariement de bases incomplet, généralement à plusieurs sites dans l'UTR 3' des ARNm cibles. Parce que l'ARNm cible reste intact après la liaison du miARN, on pense que les miARN répriment la traduction, plutôt que d'empêcher la traduction en dégradant l'ARNm. Le miARN est biochimiquement indiscernable d'une autre petite espèce d'ARN connue sous le nom de petit ARN interférent (siARN). Les siARN sont des molécules d'ARN double brin de 21 à 23 nucléotides de long, et ils interviennent dans la dégradation des ARNm qui présentent une parfaite complémentarité avec l'un ou l'autre des brins de siARN 53 . En effet, la différence fonctionnelle entre les miARN et les siARN - répression traductionnelle versus dégradation de l'ARNm - est basée sur le degré de complémentarité entre la petite molécule d'ARNm et l'ARNm cible, car l'ARNm cible qui a été modifié pour s'apparier parfaitement avec un miARN authentique a été dégradé 54 ,55 . Même si les miARN et les siARN proviennent de précurseurs différents, ils partagent des étapes de traitement communes (Encadré 1). La particule de ribonucléoprotéine contenant des miARN (miRNP) contient des protéines de la famille Argonaute, que l'on retrouve également dans le siRNP 56 . Cependant, il n'est pas clair à l'heure actuelle si les entités moléculaires qui catalysent la dégradation de l'ARNm et la répression traductionnelle sont les mêmes et, sinon, dans quelle mesure elles diffèrent.

Le mécanisme de répression traductionnelle par les miARN est largement inconnu. La répression translationnelle de lin-14 ARNm par lin-4 miARN n'a pas modifié son association avec les polysomes, ce qui indique que lin-4 inhibe l'allongement et/ou la fin de la translation 57 (Fig. 6). Par ailleurs, C. elegans ribosomes associés à un refoulement lin-14 Les ARNm ont pu continuer la traduction lorsqu'ils ont été incubés dans un lysat de réticulocytes de lapin, ce qui indique que les ribosomes ne sont pas bloqués de façon permanente sur la RIBONUCLÉOPROTÉINE DE MESSAGER réprimée (mRNP) 58 . Des idées mécanistes plus définitives nécessiteront probablement l'établissement de in vitro des systèmes de traduction qui récapitulent complètement le bloc traductionnel imposé par les miARN. Il reste également à déterminer si la répression traductionnelle par les miARN nécessite des protéines qui reconnaissent l'hybride ARNm-miARN.

Les micro-ARN (miARN indiqués en vert) s'engagent dans des interactions d'appariement de bases imparfaites avec la région non traduite 3' (UTR) et provoquent un arrêt de la traduction. À l'heure actuelle, des preuves indiquent que cela se produit dans les complexes polysomiques après l'initiation de la synthèse polypeptidique.

Conclusion et perspectives

Le contrôle global de la synthèse des protéines et la régulation traductionnelle spécifique de l'ARNm représentent des mécanismes clés de la modulation des gènes. Bien que les mécanismes de contrôle global aient été étudiés en détail, les mécanismes de régulation traductionnelle spécifique à l'ARNm sont découverts plus progressivement et la diversité des mécanismes continue d'augmenter. La régulation spécifique de l'ARNm par des protéines uniques (par exemple, IRP) pourrait bien être une exception, car la plupart des cas semblent impliquer des assemblages régulateurs multiprotéiques (et, peut-être, miARN). Bien que les étapes auxquelles ces assemblages contrôlent l'initiation de la traduction aient maintenant été identifiées pour quelques exemples, la compréhension de leur interaction avec les facteurs d'initiation de la traduction et les sous-unités ribosomiques représente l'un des problèmes qui reste à résoudre. Il reste également à déterminer comment les régulateurs peuvent interférer avec l'allongement et/ou la terminaison de la traduction. La régulation traductionnelle par les miARN est particulièrement intéressante. Comprendre le rôle de la complémentarité partielle entre le miARN et l'ARNm cible, la fonction des facteurs protéiques putatifs et les modes d'action détaillés de ces régulateurs font partie des défis pour l'avenir.

Encadré 1 | Biosynthèse et fonction des micro-ARN et des petits ARN interférents

Les micro-ARN (miARN) sont transcrits en tant que transcrits primaires qui sont traités dans le noyau par Drosha, un membre de la superfamille RNase III 59 , pour produire des précurseurs de ∼ 70 nucléotides (pré-miARN) qui ont la capacité de former des structures tige-boucle . Les pré-miARN sont ensuite transformés en miARN matures dans le cytoplasme par une autre enzyme de type RNase-III connue sous le nom de Dicer 60,61,62.

Dicer est également impliqué dans la génération de petits ARN interférents (siARN) à partir de précurseurs de longs ARN double brin 63 . Les siRNA matures forment alors un complexe de silençage induit par l'ARN (RISC) qui médie la dégradation des ARNm qui ont une parfaite complémentarité avec le siRNA 64 . Bien que la composition exacte du RISC et des particules de ribonucléoprotéine contenant des miARN (miRNP) soit inconnue, les deux contiennent des protéines de la famille Argonaute 56,65. Cette observation, ainsi que le fait que les miARN peuvent se comporter comme des siARN, a conduit certains à spéculer que RISC pourrait diriger à la fois la dégradation de l'ARNm et l'extinction de la traduction 54 .


Le mécanisme de la synthèse des protéines

La traduction est similaire chez les procaryotes et les eucaryotes. Ici, nous allons explorer comment la traduction se produit dans E. coli, un procaryote représentatif, et préciser toute différence entre la traduction bactérienne et eucaryote.

Initiation

Les initiation de la synthèse des protéines commence par la formation d'un complexe d'initiation. Dans E. coli, ce complexe implique le petit ribosome 30S, la matrice d'ARNm, trois facteurs d'initiation qui aident le ribosome à s'assembler correctement, la guanosine triphosphate (GTP) qui agit comme source d'énergie et un ARNt initiateur spécial portant N-formyl-méthionine (fMet-ARNt fMet) (Figure 4). L'ARNt initiateur interagit avec le codon d'initiation AUG de l'ARNm et porte une méthionine formylée (fMet). En raison de son implication dans l'initiation, fMet est inséré au début (extrémité N) de chaque chaîne polypeptidique synthétisée par E. coli. Dans E. coli L'ARNm, une séquence leader en amont du premier codon AUG, appelé le Séquence Shine-Dalgarno (également connu sous le nom de site de liaison ribosomique AGGAGG), interagit par appariement de bases complémentaires avec les molécules d'ARNr qui composent le ribosome. Cette interaction ancre la sous-unité ribosomique 30S au bon endroit sur la matrice d'ARNm. À ce stade, la sous-unité ribosomique 50S se lie alors au complexe d'initiation, formant un ribosome intact.

Chez les eucaryotes, la formation du complexe d'initiation est similaire, avec les différences suivantes :

  • L'ARNt initiateur est un autre ARNt spécialisé transportant la méthionine, appelé Met-tRNAi
  • Au lieu de se lier à l'ARNm au niveau de la séquence Shine-Dalgarno, le complexe d'initiation eucaryote reconnaît la coiffe 5' de l'ARNm eucaryote, puis suit l'ARNm dans la direction 5' à 3' jusqu'à ce que le codon de départ AUG soit reconnu. À ce stade, la sous-unité 60S se lie au complexe Met-ARNt, ARNm et la sous-unité 40S.

Figure 4. La traduction chez les bactéries commence par la formation du complexe d'initiation, qui comprend la petite sous-unité ribosomique, l'ARNm, l'ARNt initiateur portant la N-formyl-méthionine et les facteurs d'initiation. Ensuite, la sous-unité 50S se lie, formant un ribosome intact.

Élongation

Chez les procaryotes et les eucaryotes, les bases de allongement de la traduction sont identiques. Dans E. coli, la liaison de la sous-unité ribosomique 50S pour produire le ribosome intact forme trois sites ribosomiques importants sur le plan fonctionnel : Un site (aminoacyle) lie les ARNt aminoacyl chargés entrants. Les Site P (peptidyle) lie les ARNt chargés portant des acides aminés qui ont formé des liaisons peptidiques avec la chaîne polypeptidique en croissance mais ne se sont pas encore dissociés de leur ARNt correspondant. Les E (sortir) du site libère des ARNt dissociés afin qu'ils puissent être rechargés en acides aminés libres. Il existe une exception notable à cette chaîne d'assemblage d'ARNt : pendant la formation du complexe d'initiation, le fMet-ARNt bactérien fMet ou le Met-ARNt eucaryote pénètre directement dans le site P sans d'abord entrer dans le site A, fournissant un site A libre prêt à accepter l'ARNt correspondant. au premier codon après AUG.

L'élongation se déroule avec des mouvements de codon unique du ribosome, chacun appelé événement de translocation. Au cours de chaque événement de translocation, les ARNt chargés entrent au site A, puis se déplacent vers le site P, puis enfin vers le site E pour être éliminés. Les mouvements ribosomiques, ou étapes, sont induits par des changements de conformation qui font avancer le ribosome de trois bases dans la direction 3'. Des liaisons peptidiques se forment entre le groupe amino de l'acide aminé attaché à l'ARNt du site A et le groupe carboxyle de l'acide aminé attaché à l'ARNt du site P. La formation de chaque liaison peptidique est catalysée par peptidyl transférase, un ribozyme à base d'ARN qui est intégré dans la sous-unité ribosomique 50S. L'acide aminé lié à l'ARNt du site P est également lié à la chaîne polypeptidique en croissance. Au fur et à mesure que le ribosome traverse l'ARNm, l'ancien ARNt du site P pénètre dans le site E, se détache de l'acide aminé et est expulsé. Plusieurs des étapes au cours de l'élongation, y compris la liaison d'un ARNt aminoacyle chargé au site A et la translocation, nécessitent une énergie dérivée de l'hydrolyse du GTP, qui est catalysée par des facteurs d'élongation spécifiques. Étonnamment, le E. coli l'appareil de traduction ne prend que 0,05 seconde pour ajouter chaque acide aminé, ce qui signifie qu'une protéine de 200 acides aminés peut être traduite en seulement 10 secondes.

Résiliation

Les fin de la traduction se produit lorsqu'un codon absurde (UAA, UAG ou UGA) est rencontré pour lequel il n'y a pas d'ARNt complémentaire. Lors de l'alignement avec le site A, ces codons non-sens sont reconnus par des facteurs de libération chez les procaryotes et les eucaryotes qui entraînent le détachement de l'acide aminé du site P de son ARNt, libérant le polypeptide nouvellement fabriqué. Les petites et grandes sous-unités ribosomiques se dissocient de l'ARNm et les unes des autres, elles sont recrutées presque immédiatement dans un autre complexe d'initiation de la traduction.

En résumé, plusieurs caractéristiques clés distinguent l'expression des gènes procaryotes de celle observée chez les eucaryotes. Celles-ci sont illustrées à la figure 6 et répertoriées dans le tableau 1.

Figure 6. (a) Chez les procaryotes, les processus de transcription et de traduction se produisent simultanément dans le cytoplasme, permettant une réponse cellulaire rapide à un signal environnemental. (b) Chez les eucaryotes, la transcription est localisée dans le noyau et la traduction est localisée dans le cytoplasme, séparant ces processus et nécessitant un traitement de l'ARN pour la stabilité.

30S (petite sous-unité) avec sous-unité d'ARNr 16S

40S (petite sous-unité) avec sous-unité d'ARNr 18S


Initiation à la traduction : systèmes reconstitués et méthodes biophysiques

Sean A. McKenna , . Joseph D. Puglisi , dans Methods in Enzymology , 2007

8 In vitro Essais de traduction

L'initiation de la traduction est atténuée par l'activation de la PKR via la phosphorylation de eIF2α à Ser51 (Sonenberg et Dever, 2003). L'établissement d'un lien entre les observations mécanistiques/structurelles effectuées et les effets réels sur la machinerie de synthèse des protéines fournit une couche supplémentaire de confiance aux résultats rapportés. In vitro les tests de traduction sont une méthode simple et rapide pour établir cette connexion.

La base pour in vitro Les tests de traduction sont un lysat de cellules HeLa qui contient toute la machinerie de traduction des protéines nécessaire (Fig. 14.9). L'utilisation d'une construction rapporteur qui contient un ARNm de luciférase coiffé en 5' (cap-Luc), l'activité (intensité de luminescence du substrat) de cap-Luc est déterminée par le système de dosage de la luciférase (Promega) à l'aide d'un luminomètre approprié . La préparation d'extraits de cellules HeLa est discutée ailleurs (Otto et Puglisi, 2004). Des pastilles (environ 1 × 10 6 cellules) d'une culture de 1L HeLa S3 (le National Cell Culture Center) sont mises en suspension dans 1,25 ml de tampon hypotonique dans un homogénéisateur Dounce de 5 ml. Après 10 min, 225 µl de tampon hypertonique sont ajoutés, et les cellules sont lysées par 20 coups rapides de l'homogénéisateur. Le lysat est ensuite centrifugé et le surnageant retenu.

Graphique 14.9 . In vitro test de traduction pour surveiller l'activité PKR. Les lysats de cellules S10 HeLa contenant la machinerie de traduction des protéines sont incubés en présence d'ARNm de luciférase coiffé en 5'. Si la traduction se déroule efficacement, l'ajout de substrats de luciférase génère une luminescence, qui peut être détectée et quantifiée. L'ajout de ligands PKR et dsRNA permet le suivi de leurs effets sur la traduction.

L'inhibition de la traduction cap-dépendante par la PKR peut être déterminée en ajoutant de la PKR purifiée (70 nM) et des ligands d'ARN (50 nM) au lysat contenant cap-Luc (50 nM). L'ARN rapporteur est pré-incubé à 65° pendant 3 min, puis immédiatement refroidi dans de l'eau glacée avant addition. Le lysat HeLa S3 S10 (50% vol) est additionné de 0,5 U/μl d'inhibiteur de RNase, SUPERase⋅In (Ambion), 25 μM mélange d'acides aminés, complet (Promega), 60 mM KCl (pour la traduction cap-dépendante), et 1 mM MgCl2 (nécessaire pour l'activation de PKR). Ensemble, la réaction de traduction est incubée à 30° pendant 60 min avant le dosage de l'activité luciférase.

L'état de phosphorylation de la PKR et des substrats cibles peut également être surveillé à partir du même in vitro test de traduction pour corréler ces données avec la compétence traductionnelle. Une approche qui s'est avérée utile consiste à effectuer une analyse par immunoempreinte en utilisant des anticorps spécifiques au site pour la détection. La PKR phosphorylée ou totale (phosphorylée et non phosphorylée) et eIF2α sont détectées en utilisant les anticorps suivants : anti-PKR (préparé à partir de sérum de lapin élevé contre le domaine kinase purifié de PKR) pour la détection de PKR totale, sc-16565-R (Santa Cruz Biotechnology) pour la détection de la phosphorylation de PKR à Thr446, ab5359-50 (abcam) pour la détection de eIF2α total et ab4837-50 pour la détection de la phosphorylation d'eIF2α à Ser51.


La diversité des mécanismes d'initiation de la traduction à travers les espèces bactériennes est déterminée par les conditions environnementales et les exigences de croissance

Le motif de séquence Shine-Dalgarno (SD) se trouve fréquemment en amont des gènes codant pour les protéines et est considéré comme le mécanisme dominant d'initiation de la traduction utilisé par les bactéries. Des études expérimentales ont montré que la séquence SD facilite la reconnaissance des codons de départ et améliore l'initiation de la traduction en interagissant directement avec la séquence anti-SD hautement conservée sur la sous-unité ribosomique 30S. Cependant, la proportion de gènes dirigés par SD dans un génome varie selon les espèces et les facteurs régissant cette variation dans les mécanismes d'initiation de la traduction restent largement inconnus. Ici, nous menons une analyse phylogénétiquement informée et constatons que les espèces capables de croissance rapide contiennent une proportion plus élevée de gènes dirigés par SD dans l'ensemble de leurs génomes. Nous montrons que l'utilisation des séquences SD varie avec une suite de caractéristiques génomiques qui sont importantes pour une initiation et une élongation efficaces de la traduction. En plus de ces facteurs génomiques endogènes, nous montrons en outre que des facteurs environnementaux exogènes peuvent influencer l'évolution des mécanismes d'initiation de la traduction en constatant que les espèces thermophiles contiennent significativement plus de gènes dirigés par SD que les mésophiles. Nos résultats démontrent que la variation des mécanismes d'initiation de la traduction à travers les espèces bactériennes est prévisible et est une conséquence de stratégies d'histoire de vie différentielles liées au taux de croissance maximal et aux contraintes spécifiques à l'environnement.

Mots clés: Initiation de la traduction de l'évolution du génome de la croissance bactérienne de la séquence Shine–Dalgarno.

© The Author 2017. Publié par Oxford University Press au nom de la Society for Molecular Biology and Evolution.

Les figures

L'entropie de séquence quantifie la SD à l'échelle du génome…

L'entropie de séquence quantifie l'utilisation de la séquence SD à l'échelle du génome. ( UNE ) Illustration du…

Relation entre Δ je et…

Relation entre Δ je et les métriques existantes de l'utilisation de la séquence SD. ( UNE…

Relation entre l'utilisation de la séquence SD…

Relation entre l'utilisation de la séquence SD et la croissance de l'organisme. ( UNE ) JE…

L'utilisation de la séquence SD varie aux côtés de…

L'utilisation de la séquence SD covarie avec une suite de traits liés à la traduction et selon…


Synthèse de protéines et traduction de ndash (avec diagramme)

Faisons une étude approfondie de la synthèse des protéines. Après avoir lu cet article, vous découvrirez : 1. Synthèse des protéines 2. Composants de la synthèse des protéines 3. Mécanismes de synthèse des protéines et 4. Initiation de la synthèse des protéines.

Synthèse des protéines:

Les protéines sont des molécules géantes formées par des chaînes polypeptidiques de centaines à des milliers d'acides aminés. Ces chaînes polypeptidiques sont formées d'une vingtaine de sortes d'acides aminés. Un acide aminé est constitué d'un groupe aminé basique (-NH2) et un groupe carboxyle acide (-COOH). La disposition différente des acides aminés dans une chaîne polypeptidique rend chaque protéine unique.

Les protéines sont des constituants fondamentaux du protoplasme et du matériau de construction de la cellule.

Ils participent à l'organisation structurelle et fonctionnelle de la cellule. Les protéines fonctionnelles comme les enzymes et les hormones contrôlent le métabolisme, la biosynthèse, la production d'énergie, la régulation de la croissance, les fonctions sensorielles et reproductives de la cellule. Les enzymes sont des catalyseurs dans la plupart des réactions biochimiques. Même l'expression des gènes est contrôlée par des enzymes. La réplication de l'ADN et la transcription de l'ARN sont contrôlées par les enzymes protéiques.

Composants de la synthèse des protéines:

La synthèse des protéines est régie par l'information génétique portée par les gènes sur l'ADN des chromosomes.

Les principaux composants de la synthèse des protéines sont :

L'ADN est la molécule maîtresse qui possède l'information génétique sur la séquence d'acides aminés dans une chaîne polypeptidique. La structure et les propriétés de l'ADN régulent et contrôlent la synthèse des protéines.

L'ADN présent dans le noyau envoie des informations sous forme d'ARN messager dans le cytoplasme, qui est le site de la synthèse des protéines chez les eucaryotes. L'ARN messager porte l'information concernant la séquence d'acides aminés de la chaîne polypeptidique à synthétiser. Ce message ou cette information est sous la forme d'un code génétique. Ce code génétique spécifie la langue des acides aminés à assembler dans un polypeptide.

Le code génétique est déchiffré ou traduit en une séquence d'acides aminés.

Composition du code génétique:

La molécule d'ADN a trois composants. Ce sont des sucres, des phosphates et des bases azotées. Seule la séquence des bases azotées varie dans différentes molécules d'ADN. Ainsi, la séquence de bases azotées ou de nucléotides dans un segment d'ADN est le code ou le langage dans lequel l'ADN envoie le message sous forme d'ARN messager (ARNm).

L'ARNm porte le message génétique (code génétique) sous forme de séquence nucléotidique. Il a été trouvé qu'il existe une colinéarité entre la séquence nucléotidique de l'ARNm et la séquence d'acides aminés de la chaîne polypeptidique synthétisée.

Le code génétique est le langage des bases azotées. Il existe quatre sortes de bases azotées et vingt sortes d'acides aminés. Par conséquent, le langage à quatre lettres des bases azotées spécifie le langage à vingt lettres des acides aminés.

Mécanismes de synthèse des protéines:

Chez les procaryotes, la synthèse d'ARN (transcription) et la synthèse de protéines (traduction) ont lieu dans le même compartiment car il n'y a pas de noyau séparé. Mais chez les eucaryotes, la synthèse d'ARN a lieu dans le noyau tandis que la synthèse de protéines a lieu dans le cytoplasme. L'ARNm synthétisé dans le noyau est exporté vers le cytoplasme à travers les nucléopores.

Tout d'abord, Francis Crick a suggéré en 1955 et plus tard Zemecnik a prouvé qu'avant leur incorporation dans les polypeptides, les acides aminés se fixent à une molécule adaptatrice spéciale appelée ARNt. Cet ARNt a un anticodon long de trois nucléotides qui reconnaît un codon long de trois nucléotides sur l'ARNm.

Rôle des ribosomes dans la synthèse des protéines :

Le ribosome est une structure macromoléculaire qui dirige la synthèse des protéines. Un ribosome est une particule de ribonucléoprotéine compacte à plusieurs composants qui contient de l'ARNr, de nombreuses protéines et enzymes nécessaires à la synthèse des protéines. Le ribosome rassemble une seule molécule d'ARNm et des ARNt chargés d'acides aminés dans une orientation appropriée de sorte que la séquence de bases de la molécule d'ARNm soit traduite en une séquence d'acides aminés 1 de polypeptides.

Le ribosome est une particule nucléoprotéique ayant deux sous-unités. Ces deux sous-unités se trouvent séparément mais se réunissent pour la synthèse de la chaîne polypeptidique. Dans E. coli, le ribosome est une particule 70S ayant deux sous-unités 30S et 50S. Leur association et leur dissociation dépendent de la concentration en magnésium.

La petite sous-unité du ribosome contient le centre de décodage dans lequel les ARNt chargés décodent les codons de l'ARNm. La grande sous-unité contient le centre de la peptidyl transférase, qui forme les liaisons peptidiques entre les acides aminés successifs de la chaîne peptidique nouvellement synthétisée.

Les sous-unités 30S et 50S sont constituées d'ARN ribosomique (ARNr) et de protéines.

L'ARNm se lie à l'ARNr 16S d'une sous-unité plus petite. Près de son ARNm à 5 extrémité se lie à l'extrémité 3 de l'ARNr 16S.

Le rôle principal du ribosome est la formation de liaison peptidique entre les acides aminés successifs de la chaîne polypeptidique nouvellement synthétisée. Le ribosome possède deux canaux. L'ARNm linéaire entre et s'échappe par un canal, qui a le centre de décodage. Ce canal est accessible aux ARNt chargés. La chaîne polypeptidique nouvellement synthétisée s'échappe par l'autre canal.

Direction de la traduction :

Chaque molécule de protéine a un -NH2 fin et -COOH fin. La synthèse commence à l'extrémité amino et se termine à l'extrémité carboxyle. L'ARNm est traduit dans la direction 5 → 3′ de l'extrémité amino à l'extrémité carboxyle. La synthèse de l'ARNm à partir de la transcription de l'ADN se produit également dans la direction 5′ → 3′.

Initiation de la synthèse des protéines:

Formation du complexe d'initiation :

Tout d'abord, la sous-unité 30S du ribosome 70S démarre le processus d'initiation. La sous-unité 30S, l'ARNm et l'ARNt chargé se combinent pour former un complexe de pré-initiation. La formation du complexe de pré-initiation implique trois facteurs d'initiation IF1, IF2 et IF3 ainsi que le GTP (guanosine triphosphate). Plus tard, la sous-unité 50S du ribosome rejoint la sous-unité 30S pour former le complexe d'initiation 70S.

Les informations pour la synthèse des protéines sont présentes sous la forme de trois codons nucléotidiques sur l'ARNm. Les régions codant pour les protéines sur l'ARNm sont constituées de codons triplets continus et ne se chevauchant pas. La région codant pour la protéine sur l'ARNm est appelée cadre de lecture ouvert qui a un codon de départ 5 & 8242-AUG-3 & 8242 et un codon d'arrêt à la fin. Chaque cadre de lecture ouvert spécifie une seule protéine. L'ARNm procaryote a de nombreux cadres de lecture ouverts, codent donc pour plusieurs polypeptides et sont appelés ARNm polycistroniques.

Près de l'extrémité 5 & 8242 de l'ARNm se trouve le codon de départ qui est principalement 5 & 8 AUG-3 & 8242 (rarement GUG) chez les procaryotes et les eucaryotes. Le site de liaison du ribosome (RBS) chez les procaryotes se trouve près de l'extrémité 5 & 8242- de l'ARNm en amont (en amont) du codon AUG.

Entre l'extrémité 5 et le codon AUG, il existe une séquence de 20 à 30 bases. Parmi ceux-ci, il y a une séquence 5′-AGGAGGU-3′. Cette séquence riche en purines est appelée séquence Shine-Dalgarno et se trouve 4 à 7 bases en avant (en amont) du codon AUG.

La région 3 & 8242 de l'ARNr 16S est la sous-unité 30S a une séquence complémentaire 3 & 8242-AUUCCUCCA-5 & 8242. Cette séquence forme des paires de bases avec la séquence Shine-Dalgarno pour la liaison de l'ARNm au ribosome. La séquence Shine-Dalgarno est le site de liaison du ribosome (RBS). Il positionne correctement le ribosome par rapport au codon de départ.

Il existe deux sites de liaison à l'ARNt sur le ribosome couvrant les sous-unités 30S et 50S. Le premier site est appelé site “P” ou site peptidyle. Le deuxième site est appelé site “A” ou site aminoacyle. Seul l'ARNt initiateur entre dans le site “P”. Tous les autres ARNt entrent sur le site “A”.

Pour chaque acide aminé, il existe un ARNt distinct. L'identité d'un ARNt est indiquée par un exposant, tel que l'ARNt Arg (spécifique de l'acide aminé arginine). Lorsque cet ARNt est chargé d'acide aminé Arginine, il est écrit sous la forme Arginine-ARNt Arg ou Arg-ARNt Arg . Le tRAN chargé est appelé ARNt aminoacylé.

Chez les bactéries, le premier acide aminé à l'origine de la protéine est toujours la formyl méthionine (fMet). Lorsque AUG apparaît comme le codon de départ sur l'ARNm, seul fMet est incorporé. La molécule d'ARNt portant la formyl méthionine est appelée ARNt™ 61 . Par conséquent, le premier ARNt aminoacyle chargé d'initiateur est toujours fMet-ARNt fMet. Lorsque le codon AUG est rencontré dans l'emplacement interne (autre que le codon de départ), la méthionine n'est pas formylée et l'ARNt portant cette méthinine est l'ARNtm Rencontré .

Tout d'abord, l'ARNt initiateur chargé appelé tMet-ARNt fMet occupe le site “P” sur le ribosome. Cette position rassemble son anticodon et le codon de départ AUG de l'ARNm de telle sorte que l'anticodon de l'ARNt chargé et le codon de l'ARNm forment une paire de bases l'un avec l'autre. Ainsi commence la lecture ou la traduction de l'ARNm.

Le site “A” est disponible pour le deuxième ARNt chargé entrant dont l'anticodon forme des paires de bases avec le deuxième codon sur l'ARNm.

Charge de l'ARNt :

La fixation d'acides aminés aux ARNt est appelée charge d'ARNt. Tous les ARNt à leur extrémité 3′ ont une séquence 5′-CCA-3′. Sur ce site, les acides aminés se lient à l'aide de l'enzyme aminoacyl ARNt synthatase. La charge de l'ARNt se fait en deux étapes.

1. Activation des acides aminés :

La molécule d'énergie ATP active les acides aminés. Cette étape est catalysée par des enzymes d'activation spécifiques appelées aminoacyl ARNt synthatases. Chaque acide aminé a une enzyme distincte, l'enzyme AA-ARN synthatase.

2. Transfert d'acides aminés vers l'ARNt :

Le complexe enzymatique AA-AMP réagit avec un ARNt spécifique et transfère l'acide aminé à l'ARNt, ce qui libère l'AMP et l'enzyme.

Ce premier AA-ARNt est fMet-ARNt fmet qui est un acide aminé formyl méthionine lié à l'ARNt. Cela se corrige sur le site “P” sur le ribosome. Après cela, le deuxième AA-ARNt s'attache au site “A” sur le ribosome. De cette manière, l'allongement de la chaîne polypeptidique commence.

Allongement de la chaîne polypeptidique :

L'allongement de la chaîne polypeptidique nécessite certains facteurs d'allongement. Ces facteurs d'allongement sont Tu et G.

EF-Tu forme un complexe avec AA2-ARNt et GTP et l'amène au site “A” du ribosome. Une fois que l'ARNt AA2 est en place sur le site “A”, le GTP est hydrolysé en GDP et EF-Tu est libéré du ribosome. Le complexe EF-Tu-GTP est régénéré à l'aide d'un autre facteur Ts.

Formation de liaison peptidique :

Le rôle principal du ribosome est de catalyser la formation de liaisons peptidiques entre les acides aminés successifs. De cette façon, les acides aminés sont incorporés dans les protéines.

Maintenant, le site “P” et le site “A” sur le ribosome sont occupés par des ARNt chargés ayant des acides aminés. Une liaison peptidique est formée entre deux acides aminés successifs au site “A”. Il implique le clivage de la liaison entre f-Met et l'ARNt. Ceci est catalysé par l'enzyme ARNt désacylase.

Une liaison peptidique se forme entre le groupe carboxyle libre (-COOH) du premier acide aminé et le groupe aminé libre (-NH2) du deuxième acide aminé au site “A”. L'enzyme impliquée dans cette réaction est la peptidyl transférase. Après la formation d'une liaison peptidique, entre deux acides aminés, l'ARNt du site “P” devient non chargé ou désacylé et l'ARNt du site “A” porte maintenant une chaîne protéique malade ayant deux acides aminés. Cela se produit dans la sous-unité 50S du ribosome.

La peptidyltransférase qui catalyse la formation de liaisons peptidiques entre les acides aminés successifs est constituée de plusieurs protéines et d'une molécule d'ARNr 23S dans le ribosome. Cet ARNr 23S est un ribozyme.

Déplacement :

L'ARNt peptidyl portant deux acides aminés présents sur le site “A” est maintenant transloqué vers le site”P”. Ce mouvement est appelé translocation. Facteur d'allongement appelé translocation de contrôle EF-G. Ce facteur G est appelé translocase. L'hydrolyse du GTP fournit de l'énergie pour la translocation et la libération d'ARNt désacylé (sans acide aminé).

La translocation implique également le mouvement du ribosome le long de l'ARNm vers son extrémité 3 à une distance d'un codon du premier au deuxième codon. Ce mouvement déplace l'ARNt dipeptidyle (portant deux acides aminés) du site “A” au site “P”.

En plus de ces deux sites P et A, un troisième site “E” (site de sortie) sur le ribosome 50 S est présent.L'ARNt désacylé (privé d'acide aminé) se déplace du site “P” vers le site “E” d'où il est éjecté.

Ensuite, le troisième acide aminé (acide aminé suivant) chargé sur l'ARNt vient se trouver dans le site maintenant vide “A”. Ensuite, la chaîne dipeptidyle ayant deux acides aminés présents sur le site P forme une liaison peptidique avec le troisième acide aminé sur le site “A”. Ensuite, la chaîne de trois acides aminés est transloquée vers le site “P”. Maintenant, la chaîne polypeptidique a trois acides aminés. Ce processus d'allongement continue encore et encore. A chaque étape, un nouvel acide aminé est ajouté à la chaîne polypeptidique. Après chaque élongation, le ribosome se déplace d'un codon dans la direction 5′ → 3′.

Terminaison de la chaîne :

La présence de codons de terminaison ou de codons d'arrêt sur l'ARNm provoque la terminaison de la chaîne polypeptidique. La synthèse s'arrête lorsque la chaîne d'élongation rencontre des codons d'arrêt sur le site “A”. Les codons stop sont UAA, UGA et UAG. Il n'y a pas d'ARNt qui puisse lier ces codons.

Il existe trois facteurs de libération chez les procaryotes, qui contribuent à la terminaison de la chaîne. Ce sont RF1, RF2 et RF3.

Polyribosome ou Polysome :

Une même molécule d'ARNm peut être lue simultanément par plusieurs ribosomes. Un polyribosome ou polysome se compose de plusieurs ribosomes attachés au même ARN. Le nombre de ribosomes dans un polysome dépend de la longueur de l'ARNm.

Un ARNm pleinement actif a un ribosome tous les 80 nucléotides. Il peut y avoir environ 50 ribosomes dans un ARNm polycistronique de procaryotes. Les ribosomes se déplacent le long de l'ARNm dans la direction 5 & 8242 3 & 8242. Il y a une augmentation progressive de la taille de la chaîne polypeptidique à mesure que les ribosomes se déplacent le long de l'ARNm vers son extrémité 3 & 8242. La chaîne polypeptidique commence près de l'extrémité 5 & 8242 et se termine près de l'extrémité 3 & 8242.

Les ribosomes les plus proches de l'extrémité 5 & 8242 de l'ARNm ont la plus petite chaîne polypeptidique, tandis que les ribosomes les plus proches de l'extrémité 3 & 8242 ont la chaîne la plus longue. Le polysome augmente considérablement le taux de synthèse des protéines. Chez les bactéries, les protéines sont synthétisées à raison d'environ 20 acides aminés par seconde.

Transcription et traduction simultanées en procaryotes :

Chez les procaryotes, tous les composants de la transcription et de la traduction sont présents dans le même compartiment. La molécule d'ARNm est synthétisée dans le sens 5′ → 3′ et la synthèse des protéines se produit également dans le sens 5′ → 3′. De cette façon, la molécule d'ARNm alors qu'elle est encore en synthèse a une extrémité 5 libre dont l'autre extrémité est toujours en synthèse.

Les ribosomes se lient à l'extrémité 5 libre et démarrent la synthèse des protéines. De cette façon, l'extrémité libre (5 & 8242-end) de l'ARNm démarre le processus de synthèse des protéines tout en restant attachée à l'ADN. C'est ce qu'on appelle la transcription et la traduction couplées. Cela augmente la vitesse de synthèse des protéines. Une fois la synthèse des protéines terminée, la dégradation de la molécule d'ARNm par les nucléases commence également à l'extrémité 5 & 8242 et se poursuit dans la direction 5 & 8242 → 3 & 8242.

Synthèse des protéines chez les eucaryotes :

La synthèse des protéines chez les eucaryotes est fondamentalement similaire à celle des procaryotes, à quelques différences près.

Les ribosomes chez les eucaryotes sont de 80S ayant des sous-unités 40S et 60S. Chez les eucaryotes, l'acide aminé initiateur est la méthionine et non la f-méthionine comme dans le cas des procaryotes. Un ARNt spécial lie la méthionine pour démarrer le codon AUG. Cet ARNt est appelé ARNti Met. Ceci est distinct de l'ARNt Met qui lie l'acide aminé méthionine à toute autre position interne dans le polypeptide.

Il n'y a pas de séquence Shine-Dalgarno dans l'ARNm eucaryote pour fonctionner comme site de liaison au ribosome. Entre l'extrémité 5 et le codon AUG de l'ARNm, il existe une séquence de bases appelée cap. Une petite sous-unité de ribosome scanne l'ARNm dans la direction 5′ → 3′ jusqu'à ce qu'elle rencontre le codon 5′- AUG-3′. Ce processus s'appelle la numérisation. Facteurs d'initiation également étroitement associés à l'extrémité 3 & 8242 de l'ARNm via sa queue poly-A. Les facteurs d'initiation circularisent l'ARNm par sa queue poly-A. De cette manière, la queue poly-A contribue également à la traduction de l'ARNm. Les ARNm eucaryotes sont monocistsoniques et codent pour un seul polypeptide, ont donc un seul cadre de lecture ouvert.

Il existe dix facteurs d'initiation chez les eucaryotes. Ils sont elF (facteurs d'initiation eucaryotes) sont elFI, eIF2, eIF3, eIF4A, eIF4B, eIF4C, eIF4D, eIF4F, eIF5, eIF6.

Il existe deux facteurs d'allongement chez les eucaryotes comme les procaryotes. Ce sont eEFl (similaire à EF-Tu) et eEF2 (similaire à EF-G).

Les eucaryotes n'ont qu'un seul facteur de libération eRF qui nécessite la terminaison GTP de la synthèse des protéines. Il reconnaît les trois codons stop.

Chez les eucaryotes, l'ARNm est synthétisé dans le noyau, puis traité, modifié et transmis au cytoplasme par les nucléopores. La synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme. L'ARNm chez les procaryotes est très instable et sa durée de vie est de quelques minutes seulement. L'ARNm des eucaryotes est assez stable et a une durée de vie plus longue pouvant aller jusqu'à plusieurs jours.

Synthèse des protéines sur les ribosomes liés :

Les ribosomes se produisent à l'état libre dans le cytoplasme ainsi que liés à la surface externe du réticulum endoplasmique appelé réticulum endoplasmique rugueux (RER). La fixation des ribosomes au RE se produit après le début de la synthèse des protéines. Le fait que les ribosomes synthétisent une protéine à l'état libre ou attaché dépend du type de protéines à synthétiser par les ribosomes. La plupart des protéines qui restent à l'état libre dans le cytoplasme sont synthétisées par des ribosomes libres.

Les protéines synthétisées par les ribosomes du RE pénètrent dans la lumière des citernes du RE d'où elles peuvent pénétrer dans l'appareil de Golgi où elles sont glycosylées et forment des granules secrétaires et nombre d'entre elles pénètrent dans les lysosomes.

Modification du repliement des polypeptides libérés :

La molécule d'ADN ne spécifie que la structure primaire lors du repliement et d'autres modifications contrôlées par les protéines elles-mêmes.

Le polypeptide nouvellement synthétisé n'est pas toujours une protéine fonctionnelle. Le polypeptide nouvellement libéré peut subir diverses modifications. Une enzyme déformylase élimine le groupe formyle du premier acide aminé méthionine. Les clivages de protéines sont les plus courants. Certaines enzymes comme les exo-amino-peptidases éliminent certains acides aminés soit de l'extrémité N-terminale, soit de l'extrémité C-terminale ou des deux extrémités.

Les acides aminés internes peuvent également être éliminés comme dans le cas de l'insuline. Les polyprotéines sont clivées pour générer des protéines individuelles. La chaîne polypeptidique seule ou en association avec d'autres chaînes peut se replier pour former des structures tertiaires ou quaternaires. Les groupes prothétiques rejoignent de nombreuses protéines. Certaines protéines aident au repliement des polypeptides. On les appelle protéines chaperon ou protéines chapronine. Des exemples sont Bacterial gro EL (E. coli), mitochondrial hsp 60 mitonine.

Diverses modifications chimiques courantes des protéines nouvellement libérées sont la glycosylation, la phosphorylation, la méthylation, l'acétylation, etc.

Tri des protéines ou trafic de protéines ou ciblage des protéines :

Les protéines synthétisées dans la cellule doivent être transloquées vers le noyau ou d'autres organites cibles. Les polypeptides nouvellement synthétisés ont une séquence signal (qui est un polypeptide) constituée de 13 à 36 acides aminés. Elle est connue sous le nom de séquence leader. Cette séquence signal est reconnue par des récepteurs situés dans les membranes des organites cibles.

Lorsque les protéines sont synthétisées sur des ribosomes libres, le transfert a lieu après la traduction. Lorsque la synthèse protéique a lieu sur des ribosomes attachés au réticulum endoplasmique (Rough ER), le transfert a lieu simultanément à la traduction et est appelé transfert co-traductionnel. Les protéines qui pénètrent dans la lumière du RE rugueux peuvent pénétrer dans l'appareil de Golgi, d'où elles peuvent pénétrer dans les lysosomes secrétaires. La séquence signal est dégradée par les enzymes protéases.

Une fois que toutes ces protéines sont assemblées à leur place, elles fournissent la machinerie biochimique appropriée, qui permet à la cellule de se nourrir, de se déplacer, de se multiplier et de vivre.

Inhibiteurs de la synthèse des protéines :

Il existe de nombreux produits chimiques, tant synthétiques que ceux obtenus à partir de différentes sources comme les champignons, qui se lient aux composants de la machinerie de traduction et arrêtent le processus de traduction. La plupart d'entre eux sont des agents antibactériens ou antibiotiques qui agissent exclusivement sur les bactéries et sont donc des outils puissants entre les mains de l'homme pour lutter contre diverses maladies infectieuses. La plupart des antibiotiques sont des inhibiteurs de la machinerie de traduction.

Il se lie au site “A” sur le ribosome. Cela provoque une terminaison prématurée de la chaîne polypeptidique.

Il inhibe le facteur d'allongement EF-Tu.

Il inhibe le facteur d'allongement EF-G.

Il attaque le site “A” sur le ribosome et empêche la liaison de l'aminoacyl-ARNt.

Chloramphénicol : Il bloque la réaction de transfert de peptidyle.

Il se lie au canal de sortie polypeptidique du ribosome, bloque donc la sortie de la chaîne polypeptidique en croissance, arrête ainsi le processus de traduction.

Streptomycine et néomycine :

Ceux-ci inhibent la liaison de l'ARNt fMet au site “P”.

Inhibiteurs chez les eucaryotes :

La toxine diphtérique est une toxine produite par Corynebacterium diphtheriae. Cela provoque une modification du facteur d'élongation eucarotique.